CN102740805B - 用于控制人造矫形关节或假肢关节的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制下肢的人造矫形或假肢关节的方法和设备，具有阻抗装置，给所述阻抗装置配置至少一个促动器，通过所述促动器根据传感器数据改变屈曲和/或伸张阻抗，其中，在使用关节期间通过传感器提供状态信息，其中，求得不同于行走的周期性运动并且在所述周期性运动持续期间降低阻抗。

Description

用于控制人造矫形关节或假肢关节的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制下肢的人造矫形关节或假肢关节的方法和设备，具有阻抗装置，给所述阻抗装置配置至少一个促动器，通过所述促动器根据传感器数据改变屈曲和/或伸张阻抗，其中，在使用关节期间通过传感器提供状态信息。

背景技术

用于矫形器或假肢的人造关节、特别是膝关节具有上连接件和下连接件，它们通过关节装置彼此连接。在膝关节的情况下在上连接件上设置用于大腿残肢或大腿轨的接收部，而在下连接件上设置小腿筒或小腿轨。在最简单的情况下，上连接件通过单轴铰链与下连接件可枢转地彼此连接。这种布置仅仅在特殊情况下足以确保期望的效果，例如在矫形器中采用的情况下确保支撑或者在假肢中采用的情况下确保自然的步态形成。

为了在一个步进的不同阶段期间或者在其他工作中尽可能自然地满足或支持不同的要求，设置阻抗装置，其提供屈曲阻抗或伸张阻抗。通过所述屈曲阻抗来调节：下连接件相对于上连接件在屈曲方向上能够以何种程度枢转。因此，在膝关节的情况下，通过所述屈曲阻抗来调节：小腿筒或小腿轨相对于大腿筒或大腿轨在施加力的情况下以何种程度向后挥动。伸张阻抗对小腿筒或小腿轨的前进运动进行制动并且可构成伸张止挡。在其他关节类型的情况下例如髋关节或踝关节的情况下，这种实施方式根据运动学状况也适用。

通过可调节的阻抗装置能够使得相应的屈曲阻抗和/或伸张阻抗适配于假肢装置或矫形器装置的使用者或者进入到不同的行走或运动状况，以便能够在条件改变的情况下提供适配的阻抗。

由DE 10 2008 008 284 A1公开了一种矫形外科技术的膝关节，其具有上部件和可枢转地布置在上部件上的下部件，给其配置多个传感器，例如屈曲角度传感器、加速度传感器、斜率传感器和/或力传感器。伸张止挡根据求得的传感器数据来调节。

DE 10 2006 021 802 A1描述了一种被动式假肢膝关节的控制，在伸展方向上具有可调节的阻尼以适配于假肢装置，所述假肢装置具有上侧的连接器件和通往人造脚的连接元件。与楼梯行走进行适配，其中，检测假肢脚的几乎无力矩的抬起并且将屈曲阻尼在抬起阶段中降低到一个对于在平面中行走合适的水平以下。屈曲阻尼可根据膝盖角度的变化并且根据作用在小腿上的轴向力升高。

DE 10 2007 053 389 A1描述了一种用于控制具有至少一个自由度的下肢的矫形外科关节的方法，具有可调节的促动器以适配于矫形外科装置，所述矫形外科装置具有连接至肢体的上侧连接器件和相对于所述连接器件远中地铰接布置的矫形外科关节，在不同于在平面上行走的行走状态下。在此通过传感器检测该矫形外科装置的多个参数，将检测到的参数与判据(所述判据借助于多个参数和/或参数变化曲线求得并且存放在计算单元中)相比较并且选出一个判据，所述判据根据求得的参数或参数变化曲线是合适的。基于所选出的判据调节屈曲阻抗、运动范围、驱动力和/或其变化曲线以控制不同于在平面中行走的特殊功能。矫形外科装置在一部分在空间中的倾翻角度和/或矫形外科装置的一部分的倾翻角度改变的变化曲线可用作参数。

此外，由现有技术公开了所谓的制动膝关节，其中，在轴向负载升高时以机械方式提高屈曲和伸展阻抗。在最简单的情况下这通过以下方式实现，即，设置两个制动面，所述制动面通过地面反作用力彼此压紧。这种方案不能在用于具有被控阻抗装置的现代假肢膝关节的制动装置上采用。

已经发现，膝关节在站立时在行走期间或在站立期间提供高阻抗，其中，关节不被完全锁止。在膝关节完全伸直的情况下通过以下方式防止该关节的屈曲，即，力矢量处于关节轴线前面并且由此将膝关节压到伸张止挡中。一旦力矢量移动到关节轴线后面，则存在的危险是：关节支撑不住(弯曲)。因此需要在容易屈曲的位置值也提供升高的阻抗。关节在容易屈曲的位置中不完全锁止的优点是，关节的使用者还可以干预关节运动。如果使用者例如应在楼梯上行走并且失去平衡，则该使用者通过锁止的关节会不受控制地跌倒，而使用者借助于残肢力尚能够以高屈曲阻抗使关节屈曲并且从而避免跌倒的后果或者可完全防止跌倒。同样，站立期间的高阻尼简化了关节在狭小空间内的灵活操作或者坐下。

如果关节即使在没有被完全锁止的情况下提供高阻抗，则不能或者难于进行骑自行车活动，因为不仅必须克服脚踏的阻抗而且必须克服关节的阻抗。

EP 549 855 A1公开了一种方法，其中可调节特殊的模式以便降低屈曲和/或伸张阻抗。由此可以进行骑自行车活动。但是关节在站立时、例如当假肢使用者下车或停车并且以装假肢的腿站立时不提供任何安全性。为了获得期望和必须的安全性，必须首先又主动地转换到正常模式中。这例如通过通常不出现的运动顺序的顺序实现，通过所述运动顺序识别出：应进行转换。为此常常需要使用者从自行车上下车，因此在转换到正常模式中时存在潜在的不安全情况。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种方法和一种设备，利用其能够使关节的、特别是膝盖的阻抗装置自动地适配于骑自行车活动，而不必有意地激活或去活该模式。

根据本发明，该任务通过本发明所述的方法和本发明所述的设备来解决。本发明的有利的构型和进一步方案在其他表述中予以描述。

根据本发明，提出了一种用于控制下肢的人造矫形关节或假肢关节的方法，所述人造矫形关节或假肢关节具有阻抗装置，给所述阻抗装置配置至少一个促动器，通过所述促动器根据传感器数据改变屈曲和/或伸张阻抗，其中，在使用关节期间通过传感器提供状态信息，本发明提出，求得不同于行走的周期性运动并且在所述周期性运动持续期间降低阻抗。由此可以自动地识别特别的、不同于行走的运动状态例如骑自行车运动的出现，以便然后自动地允许所述阻抗与当前运动状况的适配。通过求得和识别一个周期性运动(例如骑自行车)可以的是，允许矫形器或假肢的使用者在任何时刻都能够骑自行车，而不必进行特殊模式的故意的并且通常费事的激活。阻抗的降低自动地进行并且对于所述不同于行走的周期性运动持续期间予以保持。如果所述周期性运动结束，例如当假肢或矫形器使用者停车或下车，则也自动地识别出所述周期性运动结束了，因此取消所述阻抗的降低。由此可以在骑自行车时在停车或下车时确保足够的安全性。

所述周期性运动优选通过分析处理运动学参量、特别是通过分析处理关节角度数据求得。根据关节角度的改变可识别出：现在涉及的是哪种运动类型，其中，所述周期性运动优选通过分析处理关节角度与关节部分惰性角度或者两个关节部分惰性角度之间的相移或所述关节角度或关节部分惰性角度的改变求得。惰性角速度是这样的角速度，一个关节部分相对于一个取向(其不是关节的部分)、优选相对于重力取向施加所述角速度。由此可根据关节角度的周期性变化曲线、关节角速度、根据关节角度与关节部分的惰性角度之间的相移或者根据关节角速度与关节部分的惰性角速度之间的相移来检测骑自行车运动。例如可根据矢量的长度来确定评估结果，所述矢量由小腿部的膝盖角速度和惰性角速度的分量形成。

此外可根据关节角度的最大值和最小值的时间间隔来识别所述周期性的运动。因为在骑自行车时涉及的是和谐的非常均匀的运动(特别是在膝关节角度方面)，因此可以将相对最大值或最小值的存在或不存在算入到关节角度的变化曲线中以识别骑自行车运动。当在平面中行走时在一个运动周期中得出特征性的相对最小值和最大值，而骑自行车时以较高频率出现其他的特征性最小值和最大值。同样通常的出发点是，在骑自行车时假肢或矫形器的使用者不将膝关节置入完全伸直状态中以防止关节由于假肢结构而锁死。因此当在多个运动周期内不存在完全伸直状况时认为：实施的是骑自行车运动，从而在该运动持续时降低阻抗。即，对于参数例如关节角度、关节角度变化或惰性角度出现的最大值确定值范围，所求得的值必须处于所述值范围内，由此作为既定求得周期性运动。

作为补充，可求得在下部的连接件中起作用的负载、例如轴向力并且在达到或超过所述负载的阈值时降低阻抗。至少在前进运动时没有或仅有非常小的负载例如轴向力作用在小腿上。如果例如对于两圈分别求得周期性下降的轴向力变化，则由此可推断使用者现在正在骑自行车，从而可显示这个或这些阻抗的降低。

因为假肢使用者或矫形器使用者在骑自行车时始终预先规定膝关节的屈曲以避免由于该关节的机械结构导致的锁死，因此作为另外的条件可规定，必须存在最小的关节角度，从而降低阻抗。由此确保在膝关节伸直时或者在膝关节几乎伸直时始终提供增高的阻抗，因为从该状态可推断出，骑自行车运动现在已经结束或中止。

出于安全原因规定，当对于降低阻抗的条件不再存在时进行阻抗增高并且由此转换回普通模式中。作为另外的安全装置可规定，始终在伸张运动期间提高屈曲阻抗，即在脚踏下降时提高屈曲阻抗，因为该阻抗提高对于骑自行车没有负面影响，但是在突然下车、停车或支撑运动时防止装假肢的腿的关节不受控制地弯曲。

本发明的设备应利用可调节的阻抗装置实施上述方法，所述阻抗装置布置在下肢的人造矫形关节或假肢关节的两个铰接地彼此支承的部件之间，该设备具有控制装置和用于检测该设备的状态信息的传感器，本发明提出，设置调节装置，通过所述调节装置能够激活和/或去活由于运动型式引起的阻抗改变。由此，除了自动激活之外还进行骑自行车模式的故意的激活，也可以当不需要该模式时关断自动识别功能。

这种功能可以是控制装置的唯一的控制功能，也可以的是，其仅仅是功能控制的一部分，以便作为附加模式提供，所述附加模式在行走程序中在任何满足所述条件的时间降低关节的阻抗。

附图说明

下面借助于附图对本发明的实施例进行详细说明。附图表示：

图1是假肢的示意图；

图2是骑自行车时膝盖角度关于时间的变化曲线；以及

图3是角度说明的惯例。

具体实施方式

图1中示出一个假肢，其具有大腿筒1、铰接地固定在该大腿筒1上的小腿部2和假肢脚3。所述大腿筒1通过假肢膝关节4与所述小腿部2耦合。假肢使用者的大腿容纳在所述大腿筒1中，在小腿部2中设置阻抗装置以便能够调节大腿筒1与小腿部2之间的枢转运动的阻抗。在所示的实施例中，假肢脚3处于脚蹬5上，没有示出对面侧的未装假肢的侧。在小腿部2内部设置控制装置，所述控制装置与传感器耦合。所述传感器检测假肢的状态数据、特别是力、力矩、角速度和角度。基于所述传感器数据在控制装置中求得目前存在何种运动，从而在阻抗装置中自动地调节正确阻抗以便能够正确并且可靠地实施所述运动。

在本例中应求得骑自行车的状态。骑自行车运动通过周期性的运动来表征，因为脚蹬5并且从而处于脚蹬5上的假肢脚3在基本上保持不变的旋转运动方向上实施圆形运动。这通过图1中的箭头来表示。大腿筒1实施围绕髋关节的枢转运动，而小腿部2实施围绕假肢膝关节4的关节轴的旋转运动并且实施升降往复的平移运动。

在小腿部2的纵轴线与大腿筒1的纵轴线之间测量膝盖角度α_K，其中，这两个纵轴线在假肢膝关节1中相交。原则上其他参考轴线也是可以的。

在图2中示出膝盖角度KA在时间上的变化曲线。从时刻t＝0的最大屈曲位置出发，在开始骑自行车时首先是装假肢的腿下压，从而给出第一膝盖角度最小值MIN1。接着经过时间间隔t₁所述膝盖角度基本上正弦形地延伸至第一膝盖角度最大值MAX1并且从该膝盖角度最大值起又正弦形地延伸至第二膝盖角度最小值MIN2。然后，该运动型式和膝盖角度变化曲线相应地继续，从而得到大致正弦形的膝盖角度曲线。

骑自行车时的膝盖角度变化曲线的特征是如下事实：假肢绝不会完全伸直，从而膝盖角度最小值处于未完全伸直的具有膝盖角度KA1的腿与稍稍程度较大地屈曲的腿KA2之间，而膝盖角度最大值处于值KA3与KA4之间，其中，这些值取决于座子高度和脚蹬长度。

如果在控制装置中基于传感器数据识别出运动的周期性变化，从而使得最小值和最大值在下和上膝盖角度范围内基本上在时间上相同地分布并且在较长的时间间隔上持续，则这样地调节所述阻抗装置，使得提供降低的阻抗。在此不仅可降低屈曲阻抗而且可降低伸张阻抗以使得骑自行车的假肢佩戴者不必克服所述阻抗装置的伸张和屈曲阻抗。

规定，第一运动周期仍然以增高的阻抗实施以便对于假肢佩戴者提供增高的安全性。只有在脚蹬5的一定的圈数之后才降低阻抗。所需的圈数可例如在两圈与五圈之间调节。

对于基于膝盖角度KA分析处理所述周期性运动补充或替代地，可以使用其他运动学参量，例如加速度或速度，其在骑自行车时以反复的型式出现，例如假肢脚3的特殊的圆形运动或周期性的枢转运动结合小腿部2的升降运动。所述运动学参量可对于膝盖角度KA替代或补充地用于求得周期性运动。

也可以将力或力矩用来求得所述周期性运动，例如轴向力，所述轴向力在小腿部2的纵向方向上起作用或者作用在假肢脚3上，以便求得骑自行车运动的存在。负载、例如轴向力也可以作为静力学判据设置。如果存在确定的负载，则推断出不骑自行车的状况，如果所述负载超过阈值，则可与其他数据结合推断出骑自行车状况，从而可进行匹配的阻抗调节。

作为安全装置提出，在伸张运动期间也就是当假肢伸张时进行屈曲阻抗的升高。这用来提高安全性，因为在伸张运动时提高屈曲阻抗对于骑自行车没有不利影响，但是在无意地下车或突然停车的情况下可确保安全性以防假肢无意地屈曲。

作为另外的安全装置提出，当周期性运动停止时使降低的阻抗(其可降低到零)升高到标准值，以便由此在停车和下车时自动地转换到正常模式中，也就是说，在下车紧之后提供行走功能。

如果腿处于伸直或几乎伸直状态中，则阻抗同样升高或者不降低，以便防止在腿伸直时在站立状态中在存在周期性负载时不出现安全性问题。

在图3中示意性示出处于弯角位置中的假肢。为了能够自动地实施阻抗改变和状态识别，提出，测量惰性角度α_T和/或膝盖角度α_K。大腿部1的惰性角度α_T相对于垂线测量，其假设在重力方向上作用。在图3中这通过重力向量g表示。假设大腿部1的纵轴线作为惰性角度α_T的参考量，所述纵轴线穿过假肢膝关节4的枢转轴线。在此，所述纵轴线大致相应于天然大腿骨的取向并且基本上在大腿部1的中间延伸，所述大腿部通常构造为大腿筒。

膝盖角度α_K处于小腿部2的纵向延伸与大腿部1的纵向延伸之间。在此，小腿部2的纵向延伸也穿过假肢膝关节4的关节轴线。所述膝盖角度α_K可由大腿部1的惰性角度α_T和小腿部2的惰性角度α_i计算出，其中，基于从重力矢量g起惰性角度α_T和α_i的计算可导入匹配的符号调整，从而由小腿部2的膝盖角度α_K与惰性角度α_i之间的差得出大腿部1的惰性角度α_T。

此外，确定地面反作用力GRF或在小腿部2的纵向方向上起作用的轴向力AX，以便基于存在的力决定假肢使用者处于何种运动状态中。

Claims (10)

1.一种用于控制下肢的人造矫形关节或假肢关节的方法，所述人造矫形关节或假肢关节具有阻抗装置，给所述阻抗装置配置至少一个促动器，通过所述促动器根据传感器数据改变屈曲阻抗和/或伸张阻抗，其中，在使用关节期间通过传感器提供状态信息，其特征在于，求得不同于行走的周期性运动并且在所述周期性运动持续期间降低阻抗，其中，根据关节角度或关节部分惰性角度的最大值和最小值的时间间隔求得所述周期性运动。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过分析处理运动学参量求得所述周期性运动。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，通过分析处理关节角度与关节部分惰性角度或者两个关节部分惰性角度之间的相移或所述关节角度或关节部分惰性角度的改变求得所述周期性运动。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，对于所述最大值和最小值确定值范围，求得的值必须处于所述值范围之内，由此作为既定求得一周期性运动。

5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，求得在下部的连接件中起作用的负载并且在达到或超过所述负载的阈值时降低阻抗。

6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，确定最小的关节角度，其必须存在，由此降低阻抗。

7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，当对于降低阻抗的条件不再存在时进行阻抗升高。

8.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在伸张运动期间提高屈曲阻抗。

9.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，存在多个控制算法，它们基于用于检测角度和力的不同装置的测量值工作，从而在一个用于检测角度和力的装置失效时使用其余的测量值来控制伸张阻抗和/或屈曲阻抗的改变。

10.一种用于执行根据上述权利要求之一所述方法的设备，具有可调节的阻抗装置，所述阻抗装置布置在人造矫形关节或假肢关节的两个铰接地彼此支承的部件之间，具有控制装置和传感器，它们用于检测所述设备的状态信息，其特征在于，设置调节装置，通过所述调节装置能够激活和/或去活由于运动型式引起的阻抗改变。